横向思维者：格哈德·埃特尔

张文韬/编译

●来自斯坦福大学的黛安·吴(Diane Wu)就生命结构等生物学中的一些重要议题，在林道会议上向2007年诺贝尔化学奖得主格哈德·埃特尔(Gerhard Ertl)进行了提问。

格哈德·埃特尔，表面科学的奠基人，擅长从分子水平上阐明固气界面上发生的现象。埃特尔如今是柏林马普学会弗里茨·哈伯研究所的荣誉退休教授。

黛安·吴，斯坦福大学的研究生，其研究方向是探索转换材料在生物成像和太阳能能量转换中的新应用，即将低能量的光转变为高能量。

黛安：您在学生时代遇见过您心目中的英雄吗?

埃特尔：我遇到了物理学家弗雷德里克·约里奥-居里 (Frédéric Joliot-Curie，1935 年诺贝尔化学奖得主)。我在斯图加特大学进入第二学年时，一个朋友提议去巴黎学习。这个决定相当冒险。于是我们参加了约里奥-居里的讲座，他显得生气勃勃、精力充沛 (其实他当时已经抱病在身，一年后就逝世了)。我一直忘不了他的演讲：“现在我们要问，零代表什么？ 代表什么？”没人能够回答。这就是他向我们介绍“中子”的方式——中子是零电荷的物质。

1959年，我在慕尼黑大学度过了一年，当时维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg，量子力学创始人之一)负责讲授量子力学。那时班上至少有300名学生，课程也很难掌握，但我们必须解决问题。如果成功，就会得到一份“该生通过了量子力学的训练”并签有海森堡名字的证书。我很珍视我得到的那份证书，直到今天还保存着。

物理学和生物学突破是关键

黛安：目前化学方面主要解决的重要问题是什么？

埃特尔：化学上不存在什么真正重要的基础问题。最后一个重大的问题是 “化学键的本质是什么？”——随着量子力学的出现，这个问题在近百年前已经得到了解答。目前重大的基础问题都集中在物理学和生物学上。

在物理学中，最大的问题是，怎么将两个伟大的理论——量子物理与万有引力理论——统一起来？还有一些其他问题，诸如我们的宇宙里有什么？暗物质和暗能量又是什么？宇宙中只有百分之四是组成自然界的物质组分，剩下的是什么呢？

对于生物学，这个问题就是生命是什么？我们已知有些元素对生命很重要，但人类可以凭借这些元素制造出人造生命吗？这些都是重大的问题。化学这门学科无法跟它们相比。

黛安：70年前，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）写出了《生命是什么？》这本著作，什么时候我们才能回答他提出的问题？

埃特尔：薛定谔的问题是非常具体的。从根本上说，是否需要某个全新的物理规律来描述生物学？他不能给出回答，主要是因为他不能解释生物组织是怎么形成的。不但没办法解释分子结构，更大的结构也无法说明，比如，如何让细胞只从中部分裂？不过，利用非线性动力学可以对这些问题展开探索——这也是我最感兴趣的领域。

著书研究志在统一概念

黛安：那生命结构的重要性是什么？

埃特尔：自组织是所有结构形成的基础。没有外来能量输入的情况下，封闭系统最终会找到一种平衡状态，不管是无序的还是有序的。例如，盐离子会从溶液中析出，成为有序晶体。而开放系统一直有能量注入，保证了系统可以始终处于不平衡状态，比如，吃下的食物不断为细胞提供能量，细胞以此维持自身的结构与功能。对于这些过程的数学描述需要非线性微分方程组，也就是所谓的非线性动力学。利用非线性动力学研究生物系统后显示，现有的物理规律足以解释生命系统的有序性——薛定谔对此做出了预言，但没能证实。

黛安：您是如何对非线性动力学产生兴趣的？

埃特尔：25年前，我正从事表面反应的研究，遇到了众所周知的问题：发生在表面的反应显示了一种不合逻辑的现象。比如，能量持续流入开放系统，你当然会预期有持续的流出，但是某些时候流出的能量是摇摆不定的。这是化学反应复杂度的结果。基于反应的非线性，所以这种动力学现象只能用非线性方程来描述。

黛安：还有什么生物学之谜可以用非线性动力学解决？

埃特尔：理论物理有助于回答很多医学问题。例如，心脏的电脉冲是无序的，可以用复杂度工具加以分析和模拟。心脏脉冲不是局部的，而是电流以波的形式流过整个心脏——这种波伴随着电子现象的化学反应传播。

第一个描述该领域复杂性的是心脏学家阿图罗·罗森布鲁（Arturo Rosenblueth），他与数学家诺伯特·维纳（Norbert Wiener）共同撰写了论文，阐述这种模式是怎么出现的。医学研究者对于身体中的动态系统很感兴趣，同时也关注它们是如何以非线性的方式作出对不同能量输入的反应。

可以用复杂度来描述和预言这种生理反应。我正在写一本书，总结目前各领域的复杂度理论。我希望得到统一概念，用于各种不同的现象。